浅谈建筑配电能耗平台与环境监测管理系统的研究

摘要：针对目前国内高耗能建筑缺少有效的能源监测系统的现状，提出一种基于物联网技术的可视化建筑能耗和环境监测系统方案，给出了平台结构，并详细介绍了平台的配置和系统的特点。

关键词：建筑能耗；环境监测；节能；物联网

0.引言

随着我国城市化进程的加速，预计到2020年，全国城市生活人口将达到56%以上，第三产业占GDP的比例有可能超过45%。[1]相应的建筑物和设施也将成倍增加，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。随着能耗问题日益突显，如何实现能耗管理和能源成本小化成为中国的首要任务。准煤高出7倍。北京16家旅馆中，能耗大的旅馆能耗费是能耗小的旅馆能耗费的将近3倍。北京全市的宾馆、饭店、商厦、写字楼等大型公共建筑面积仅占民用建筑的5.4%，但全年耗电量却高达33亿kW·h，接近全市居民生活。

1.建筑能耗分析

目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户"。现在我国每年新建房屋20亿m2中，99%以上是高能耗建筑；而既有的约430亿m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。根据测算，如果不采取有力措施，到2020年中国建筑能耗将是现在的3倍以上。

在我国的能源消费中，建筑能耗占了很大的比例，据统计，建筑能耗在我国能源总消费中所占的比例已经达到27．6％，发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的30～40％。[2]在建筑能耗中，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。据统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑单位面积年耗电量达到70～300kW·h，为普通居民住宅的10～20倍，占全国城镇总耗电量的22%。以北京为例，[3]据调查，北京政府机构能源消费中，单位建筑面积年耗电量约为80～150kW·h，是居民住宅的4～8倍；行政机关年人均用能3.35t标准煤，比全市人均生活用能0.47t标用电的50%，单位面积年均耗电量是普通住宅的5～10倍。

这类建筑普遍缺乏细致的用能计量，已有的数据无法满足能耗分析需求、无法及时准确的发现用能问题。为了更好地开展大型公共建筑节能工作，我们做了详细掌握建筑的各种能耗，并通过对这些能耗和建筑环境情况进行分析来发现建筑用能所存在的问题，为以后的节能管理和节能改造提供依据，而建筑能耗与环境监测管理系统在这个过程中则起了举足轻重的作用。

1. 系统概述

基于物联网技术的建筑能耗与环境监测系统围绕建筑能耗中的电、水、气、热耗、冷耗5类能源系统进行监测，结合建筑内部的环境监测系统对能耗数据进行分析。在实现技术上采用现场总线（modbus）仪表实现5类能源系统的数据采集，采用基于泛在无线传感网(UNIT)的探测器实现环境参数监测，采用工业数据库与组态软件实现采集数据的汇总和分析。系统结构如图1。

该系统包含了能耗监测和环境监测两个部分。其中能耗监测按照能源类别分类分项进行监测、统计和数据分析，分类为：电量、水量、气量、热耗量、冷耗量5类；其中电量分两级分项进行监测，电量①级分项：照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电4个分项，电量②级分项：照明插座用电包括房间照明用电、插座用电、走廊用电、应急照明用电和室外景观照明用电5个②级分项，空调用电包括冷热站用电和空调末端用电2个②级分项，动力用电包括电梯用电、水泵用和通风机用电3个②级分项，特殊用电包括信息房、洗衣房、厨房、餐厅、游泳池、健身房6个②级分项，其它分类能耗不做分项监测。环境监测部分分为：温度、湿度、一氧化碳、水浸、光照度、红外检测等。

2.1系统平台构建

通本系统是以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，一般分为三层：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。

2.1.1站控管理层

站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。

监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。

打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。

UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。

2.1.2网络通讯层

通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。

通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理房。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。

以太网设备：包括工业级以太网交换机。

通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。

2.1.3现场设备层

现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据房上传存储的建筑能耗数据。测量仪表担负着基层的数据采集任务，其监测的能耗数据完整、准确并实时传送至数据房。

2.2系统主要部件技术性能指标

2.2.1数据采集器

采用数据采集器，实现对电、水、气、热耗、冷耗量的数据采集。支持对多种类型用能计量装置的数据采集，包括电能表（含单相电能表、三相电能表、多功能电能表）、电力监测仪、电量计测模块，水表、燃气表、冷热量计、流量计等。

2.2.2电量采集系统

配置方案：通过1个三相总电量表监测建筑总能耗，通过4个分项电量表监测照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电4个①级分项电量。通过16个分项电量表监测16项的二级分项电量。所有电表均为通过Modbus协议传送电量数据到采集器，采集器通过局域网上传到监控主机上并

在监控软件上进行数据处理和分析，监测到的各种数据通过互联网与数据房和上级调度相连，从而实现数据的共享和能耗的合理调配。

电量监测指标主要有电流、电压、频率、视在频率、有功功率、无功功率、功率因数及电能等。

2.2.3用水量采集系统

配置方案：通过一个具有Modbus协议的水表实现对建筑用水总量的监测，实现对建筑日、月、年用水量的监测和分析。

2.2.4用气量采集系统

配置方案：通过一个具有Modbus协议的气表实现对建筑用气总量的监测，实现对建筑日、月、年用气量的监测和分析。

2.2.5制热量采集系统

配置方案：通过一个具有Modbus协议的热量表实现对建筑用热量总耗的监测，实现对建筑日、月、年用热量的监测和分析。

2.2.6制冷量采集系统

配置方案：通过一个具有Modbus协议的冷量表实现对建筑用冷量总耗的监测，实现对建筑日、月、年用冷量的监测和分析。

2.2.7环境监测系统

配置方案：基于物联网技术，通过基于无线自组织传感网的环境探测器实现建筑室内环境的参数监测，检测的环境参数有：温度、湿度、一氧化碳、水浸、光照度、红外检测等。环境探测器通过无线传感网网关将数据上传到数据房，数据房集合环境参数实现对能耗系统的分析。

2.2.8数据房和监控系统

数据房和监控系统采用工业数据库和组态软件进行实现，它可实现参数列表、实时曲线图、数据棒图、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、数据报表等多种统计和分析功能。

3.系统特点

该项目针对现代建筑能耗和环境监测系统监测点数量大、较密集、布线复杂的特点，提出了一种基于物联网技术的可视化建筑能耗与环境监测系统解决方案，通过构建基于无线传感网的物联网网络系统和开发具有能耗管理与节能策略分析功能的软件平台，实现建筑能耗与室内环境的可视化监测与管理。该系统的优势在于：

1. 基于物联网技术对建筑能耗和建筑环境系统进行统一监测，并根据建筑环境对建筑能耗状态进行分析，得出耗能系统的综合评价，实施能源的优化配置。

2. 监测系统的传感层采用无线传感技术组建无线传感网络，可大大减少布线工作或无需布线，可不对现有耗能设备作任何改造，工程安装和维修简单方便。减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响，减少投资和工期，特别适用于既有建筑和设施。

3. 系统采用模块化结构，构架简单，扩展功能强，可方便地满足用户未来需求。内网组网灵活，可随时增加或减少传感节点系统易于维护，任意节点的故障不会影响系统工作。

4. 使用智能终端可通过GPRS或互联网实现远程管理和监测。同时具有本地数据存储功能，确保数据完整性。

5. 建筑能耗和环境监测实现可视化管理，自动生成能耗分析报告，能耗报表自动打印，操作管理便捷。

该系统将建筑能耗监测与建筑环境监测有效的结合起来，实现能源优化配置；无线组网方式和模块化结构架构简单，组网便捷，便于建设和改建；可视化的界面为维护管理人员提供了更为便捷的操作管理模式，易于推广，是一种建设绿色节能建筑的有效方法。该项目的应用可使建筑中能源使用效率大大提高，有效缓解目前能源紧张的压力，具有广阔的市场前景和良好的经济效益，对缓解国家能源紧缺状况，实现节能和减排温室气体规划目标，促进国民经济可持续发展具有重要而深远的意义。

4.安科瑞建筑能耗分析系统

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源计算，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上管理节能工作的部门报送能源计算报告。

4.2应用场所

适用于公共建筑、集团公司、工业园区、大型物业、学校、医院、企业等不同行业的能耗监测与管理的系统设计、施工和运行维护。

4.3系统功能

4.3.1系统概况

平台运行状态，当月能耗折算、地图导航，各能耗逐时、逐月曲线，当日，当月能耗同比分析滚动显示。

4.3.2用能概况

对建筑、部门、区域、支路、分类分项等用能进行对比，支持当日逐时趋势、当月逐日趋势曲线、分时段能耗统计对比、总能耗同环比对比。

4.3.3用能统计

对建筑、区域、分项、支路等结构按日、月、年报表的形式统计对分类能源用能进行统计，支持报表数据导出EXCEL，支持选择建筑数据进行生成柱状图。

4.3.4复费率统计

复费率报表按日、月、年统计对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析。支持数据导出到EXCEL。

4.3.5同比分析

对建筑、分项、区域、支路等用能按日、月、年以图形和报表结合的方式进行用能数据同比分析。

4.3.6能源流向图

能源流向图展示单栋建筑时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。

4.3.7夜间能耗分析

夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。

4.3.8设备管理

设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。

4.3.9用户报告

用户报告针对选定的建筑自动统计各能源的月使用的同环比趋势，并提供简单的能耗分析结果，针对用电提供单独的复费率用能分析，报告可编辑。

5.系统硬件配置

参考文献

[1]郑明明,陈硕．建筑能耗监测平台的研究[J]．建筑节能,2009(9)．

[2]李国勇．智能控制及其Matlab实现[M]．北京:电子工业出版社,2005.

[3]贾正源，牛晓东．电力负荷预测的遗传神经网络模型研究[J]．运筹与管理，2000，9（2）.

[4]周巧仪，崔富义，谢路建.筑能耗与环境监测管理系统的研究[J].

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.